Java基础-泛型

😰面试被问到：泛型是怎么被擦除的？愣是说不出个所以然来...
其实了解泛型的擦拭法才能更好地使用和编写泛型。基础永远不能忘~!

  • 1.使用泛型
  • 2.编写泛型
  • 3.擦拭法
  • 4.extends通配符
  • 5.super通配符
  • 6.泛型和反射

1.使用泛型

泛型是一种“代码模板”，可以用一套代码套用各种类型。例如ArrayList<T>，然后在代码中为用到的类创建对应的ArrayList<类型>：

ArrayList<String> strList = new ArrayList<可省略>();

由编译器针对类型作检查：

strList.add("hello"); // OK
String s = strList.get(0); // OK
strList.add(new Integer(123)); // compile error!
Integer n = strList.get(0); // compile error!

向上转型
在Java标准库中的ArrayList<T>实现了List<T>接口，它可以向上转型为List<T>：

public class ArrayList<T> implements List<T> {
    ...
}

List<String> list = new ArrayList<String>();

要特别注意：不能把ArrayList<Integer>向上转型为ArrayList<Number>或List<Number>。
🤔❓这是为什么呢？假设ArrayList<Integer>可以向上转型为ArrayList<Number>，观察一下代码：

// 创建ArrayList<Integer>类型：
ArrayList<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
// 添加一个Integer：
integerList.add(new Integer(123));
// “向上转型”为ArrayList<Number>：
ArrayList<Number> numberList = integerList;
// 添加一个Float，因为Float也是Number：
numberList.add(new Float(12.34));
// 从ArrayList<Integer>获取索引为1的元素（即添加的Float）：
Integer n = integerList.get(1); // ClassCastException!

实际上，编译器为了避免这种错误，根本就不允许🚫。

😎泛型的好处是：使用时不必对类型进行强制转换，它通过编译器对类型进行检查。

2.编写泛型

编写泛型类比普通类要复杂。通常来说，泛型类一般用在集合类中，例如ArrayList<T>，我们很少需要编写泛型类。
可我们一定要编写的话，首先，按照某种类型，例如：String，来编写类：

public class Pair {
    private String first;
    private String last;
    public Pair(String first, String last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public String getFirst() {
        return first;
    }
    public String getLast() {
        return last;
    }
}

然后，把特定类型String替换为T，并申明<T>：

public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}

❗️❗️❗️编写泛型类时，要特别注意，泛型类型<T>不能用于静态方法。
对于静态方法，我们可以单独改写为“泛型”方法，只需要使用另一个类型即可。对于上面的create()静态方法，我们应该把它改为另一种泛型类型，例如，<K>：

public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() { ... }
    public T getLast() { ... }

    // 静态泛型方法应该使用其他类型区分:
    public static <K> Pair<K> create(K first, K last) {
        return new Pair<K>(first, last);
    }
}

这样才能清楚地将静态方法的泛型类型和实例类型的泛型类型区分开。

多个泛型类型
泛型还可以定义多种类型。例如，我们希望Pair不总是存储两个类型一样的对象，就可以使用类型<T, K>：

public class Pair<T, K> {
    private T first;
    private K last;
    public Pair(T first, K last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() { ... }
    public K getLast() { ... }
}
// 使用的时候，需要指出两种类型：
Pair<String, Integer> p = new Pair<>("test", 123);

Java标准库的Map<K, V>就是使用两种泛型类型的例子。它对Key使用一种类型，对Value使用另一种类型。

3.擦拭法

泛型是一种类似”模板代码“的技术，不同语言的泛型实现方式不一定相同。

  • Java语言的泛型实现方式是擦拭法(Type Erasure)。
    虚拟机对泛型其实一无所知，所有的工作都是编译器做的。

例如，我们编写了一个泛型类Pair<T>，这是编译器看到的代码：

public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}
// 使用：
Pair<String> p = new Pair<>("Hello", "world");
String first = p.getFirst();
String last = p.getLast();

而虚拟机根本不知道泛型。这才是虚拟机执行的代码：

public class Pair {
    private Object first;
    private Object last;
    public Pair(Object first, Object last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public Object getFirst() {
        return first;
    }
    public Object getLast() {
        return last;
    }
}
// 使用：
Pair p = new Pair("Hello", "world");
String first = (String) p.getFirst();
String last = (String) p.getLast();

因此，Java使用擦拭法实现泛型，导致了：

  • 编译器把类型<T>视为Object
  • 编译器根据<T>实现安全的强制转型

😎所以，重点来了❗️❗️❗️Java的泛型是由编译器在编译时实行的，编译器内部永远把所有类型T视为Object处理，但是，在需要转型的时候，编译器会根据T的类型自动为我们实行安全地强制转型。

🤔了解了Java泛型的实现方式——擦拭法，我们就知道了Java泛型的局限：

  • 局限一：<T>不能是基本类型，例如int，因为实际类型是Object，Object类型无法持有基本类型
  • 局限二：无法取得带泛型的Class。观察以下代码：
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Pair<String> p1 = new Pair<>("Hello", "world");
        Pair<Integer> p2 = new Pair<>(123, 456);
        Class c1 = p1.getClass();
        Class c2 = p2.getClass();
        System.out.println(c1==c2); // true
        System.out.println(c1==Pair.class); // true
    }
}
class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}
// 判断类型时编译失败
Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
// Compile error:
if (p instanceof Pair<String>.class) {
}

无论T的类型是什么，getClass()返回同一个Class实例，因为编译后它们全部都是Pair<Object>，因此也无法判断带泛型的Class的类型：。

  • 局限四：不能实例化T类型：
public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair() {
        // Compile error:
        first = new T();
        last = new T();
    }
}

这样一来，创建new Pair<String>()和创建new Pair<Integer>()就全部成了Object，显然编译器要阻止这种类型不对的代码。
要实例化T类型，我们必须借助额外的Class<T>参数：

public class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(Class<T> clazz) {
        first = clazz.newInstance();
        last = clazz.newInstance();
    }
}

上述代码借助Class<T>参数并通过反射来实例化T类型，使用的时候，也必须传入Class<T>。例如：

Pair<String> pair = new Pair<>(String.class);

因为传入了Class<String>的实例，所以我们借助String.class就可以实例化String类型。

泛型继承

在继承了泛型类型的情况下，子类可以获取父类的泛型类型。例如：IntPair可以获取到父类的泛型类型Integer。获取父类的泛型类型代码比较复杂：

import java.lang.reflect.ParameterizedType;
import java.lang.reflect.Type;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Class<IntPair> clazz = IntPair.class;
        Type t = clazz.getGenericSuperclass();
        if (t instanceof ParameterizedType) {
            ParameterizedType pt = (ParameterizedType) t;
            Type[] types = pt.getActualTypeArguments(); // 可能有多个泛型类型
            Type firstType = types[0]; // 取第一个泛型类型
            Class<?> typeClass = (Class<?>) firstType;
            System.out.println(typeClass); // Integer
        }
    }
}

class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;
    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }
    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
}

class IntPair extends Pair<Integer> {
    public IntPair(Integer first, Integer last) {
        super(first, last);
    }
}

因为Java引入了泛型，所以，只用Class来标识类型已经不够了。😮实际上，Java的类型系统结构如下：

4.extends通配符

我们前面已经讲到了泛型的继承关系：·Pair<Integer>不是Pair<Number>的子类。
🤔可是我们想传递Pair<Integer>这怎么办呢？
🤓这时候我们可以extends通配符来限定T的类型：

public class Pair<T extends Number> { ... }

现在，我们可以这样定义了，因为Number、Integer和Double都符合<T extends Number>：

Pair<Number> p1 = null;
Pair<Integer> p2 = new Pair<>(1, 2);
Pair<Double> p3 = null;

5.super通配符

需求：和extends通配符相反，这次，我们希望接受Pair<Integer>类型，以及Pair<Number>、Pair<Object>，因为Number和Object是Integer的父类，我们这样定义：

public class Pair<T super Integer> { ... }

现在，我们可以定义了，因为Number、Integer和Object都是父类<T super Integer>：

Pair<Number> p1 = null;
Pair<Integer> p2 = new Pair<>(1, 2);
Pair<Object> p3 = null;

好啦，以上使我们必须要掌握的语法。

华丽的分割线

以上是用在定义泛型类型时通配符的使用，其实泛型还可被定义在方法参数上，以下知识点容易头疼......
下面代码说明了get和set时两种情况：

public class Main {
public static void main(String[] args) {
        Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
        int n = getNum(p);
        System.out.println(n);
        Pair<Number> p1 = new Pair<>(12.3, 4.56);
        Pair<Integer> p2 = new Pair<>(123, 456);
        setSame(p1, 100);
        setSame(p2, 200);
        System.out.println(p1.getFirst() + ", " + p1.getLast());
        System.out.println(p2.getFirst() + ", " + p2.getLast());
    }
    static int getNum(Pair<? extends Number> p) {
        Number first = p.getFirst();
        Number last = p.getLast();
        return first.intValue() + last.intValue();
    }
    static void setSame(Pair<? super Integer> p, Integer n) {
        p.setFirst(n);
        p.setLast(n);
    }
}
class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;

    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }

    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
    public void setFirst(T first) {
        this.first = first;
    }
    public void setLast(T last) {
        this.last = last;
    }
}

作为方法参数，<? extends T>类型和<? super T>类型的区别在于：

  • <? extends T>允许调用读方法T get()获取T的引用，但不允许调用写方法set(T)传入T的引用（传入null除外）；
  • <? super T>允许调用写方法set(T)传入T的引用，但不允许调用读方法T get()获取T的引用（获取Object除外）。
    一个是允许读不允许写，另一个是允许写不允许读。
    先记住上面的结论，我们来看Java标准库的Collections类定义的copy()方法：
public class Collections {
    // 把src的每个元素复制到dest中:
    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
        for (int i=0; i<src.size(); i++) {
            T t = src.get(i);
            dest.add(t);
        }
    }
}

*它的作用是把一个List的每个元素依次添加到另一个List中。
它的第一个参数是List<? super T>，表示目标List，第二个参数List<? extends T>，表示要复制的List。
我们可以简单地用for循环实现复制。在for循环中，我们可以看到：

  • 对于类型<? extends T>的变量src，我们可以安全地获取类型T的引用，
  • 而对于类型<? super T>的变量dest，我们可以安全地传入T的引用。*

这个copy()方法的定义就完美地展示了extends和super的意图：

  • copy()方法内部不会读取dest，因为不能调用dest.get()来获取T的引用；
  • copy()方法内部也不会修改src，因为不能调用src.add(T)。

这是由编译器检查来实现的。如果在方法代码中意外修改了src，或者意外读取了dest，就会导致一个编译错误：

public class Collections {
    // 把src的每个元素复制到dest中:
    public static <T> void copy(List<? super T> dest, List<? extends T> src) {
        ...
        T t = dest.get(0); // compile error!
        src.add(t); // compile error!
    }
}

这个copy()方法的另一个好处是可以安全地把一个List<Integer>添加到List<Number>，但是无法反过来添加：

// copy List<Integer> to List<Number> ok:
List<Number> numList = ...;
List<Integer> intList = ...;
Collections.copy(numList, intList);

// ERROR: cannot copy List<Number> to List<Integer>:
Collections.copy(intList, numList);

而这些都是通过super和extends通配符，并由编译器强制检查来实现的。

无限定通配符

我们已经讨论了<? extends T>和<? super T>作为方法参数的作用。实际上，Java的泛型还允许使用无限定通配符(Unbounded Wildcard Type)，即只定义一个?：

void sample(Pair<?> p) {
}

因为<?>通配符既没有extends，也没有super，因此：

  • 不允许调用set(T)方法并传入引用（null除外）；
  • 不允许调用T get()方法并获取T引用（只能获取Object引用）。

换句话说，既不能读，也不能写，那只能做一些null判断：

static boolean isNull(Pair<?> p) {
    return p.getFirst() == null || p.getLast() == null;
}

大多数情况下，可以引入泛型参数<T>消除<?>通配符：

static <T> boolean isNull(Pair<T> p) {
    return p.getFirst() == null || p.getLast() == null;
}

<?>通配符有一个独特的特点，就是：Pair<?>是所有Pair<T>的超类：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Pair<Integer> p = new Pair<>(123, 456);
        Pair<?> p2 = p; // 安全地向上转型
        System.out.println(p2.getFirst() + ", " + p2.getLast());
    }
}

class Pair<T> {
    private T first;
    private T last;

    public Pair(T first, T last) {
        this.first = first;
        this.last = last;
    }

    public T getFirst() {
        return first;
    }
    public T getLast() {
        return last;
    }
    public void setFirst(T first) {
        this.first = first;
    }
    public void setLast(T last) {
        this.last = last;
    }
}

上述代码是可以正常编译运行的，因为Pair<Integer>是Pair<?>的子类，可以安全地向上转型。

6.泛型和反射

Java的部分反射API也是泛型。例如：Class<T>就是泛型：

// compile warning:
Class clazz = String.class;
String str = (String) clazz.newInstance();

// no warning:
Class<String> clazz = String.class;
String str = clazz.newInstance();

调用Class的getSuperclass()方法返回的Class类型是Class<? super T>：

Class<? super String> sup = String.class.getSuperclass();

构造方法Constructor<T>也是泛型：

Class<Integer> clazz = Integer.class;
Constructor<Integer> cons = clazz.getConstructor(int.class);
Integer i = cons.newInstance(123);

😎使用<T>泛型时，要带着最终被擦除的思想去设计代码，要知道最终是会被改写成Object的，这样才能使用好和编写好泛型！

泛型的使用就到这里，其他语法使用：Java基本功系列之☞注解Annotation
(End)

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